辨識振動環境中兩點螺栓連接狀態的REE聲發射指標

張健奎，王 寧，盧 萍，簡克彬

(西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

螺栓連接是一種常見的連接結構形式。由于外界環境的不確定性，螺栓接件連接部位近似配合的接觸表面由于彈性變形的差異，往往會發生極小幅度的往復運動，易產生微動磨損，加速疲勞裂紋的萌生和擴展，造成螺栓連接結構產生咬合、松動、功率損失和滑移等失效形式［1-4］。而振動環境導致的連接部位應力松弛和局部變形是連接松動和滑移的主要原因。尤其在復雜武器及航空航天系統中，振動環境中螺栓的松動等連接狀態改變會引起整體結構失效，引發災難性事故。因此對振動環境中螺栓松動等失效形式的研究，長期以來都是國際上工程界研究的熱點。

經過大量的室內試驗和分析的基礎，探索性的提出了辨識兩點板條螺栓連接結構的聲發射(AE)相對當量能量指標(REE)，該指標綜合考慮了螺栓連接結構振動過程中的聲發射參數，可以消除螺栓結構振動隨時間的變化等環境因素的影響，能夠有效地用于振動環境中板條螺栓連接結構連接狀態的辨識。

1 聲發射(AE)試驗及常規指標分析

1.1 試驗方法

振動環境中兩點板條螺栓連接結構的 AE研究試驗試件是由上、下件兩部分組成。試件材料Q235A，外層鍍鋅鈍化，由10個M8螺栓與振動臺的底盤緊固連接。上件為設計的兩點板條典型螺栓結構，上下件的材料及制作工藝相同，并用8.8級M6×25螺栓以一定扭矩進行連接(螺栓 GB70-85，螺母 GB6175-86)［5］，得知該螺栓的額定扭矩為10 Nm。

試件在D-300-2電動式振動臺上進行振動試驗，試驗條件為軸向簡諧波載荷。1#、2#傳感器分別布置于兩個螺栓的近端(見圖1)。本試驗采用的激勵環境為振動臺振動加速度為1 g、振動頻率為20 Hz。分別同步施加螺栓扭矩至1 Nm、3 Nm、5 Nm、7 Nm 、9 Nm、11 Nm、13 Nm。測定參數主要有各次聲發射事件能量隨時間及預緊扭矩的變化，并且進行波形特征分析。

經過多次重復試驗，發現各指標的變化規律基本一致，最后繪制出聲發射累計能量與時間及預緊扭矩的關系曲線。

1.2 聲發射指標累計能量的數據規律分析

通過空采(振動臺不振動)與試件安裝后的聲發射波形進行對比，得出:在空采狀態時，采集到的聲發射信號為連續性信號，幅度也較小，而安裝試件后的聲發射的時域波形中出現明顯的脈沖信號，并且幅度相當大，遠大于試件安裝前聲發射信號的幅度，說明試驗中獲得的聲發射信號主要是由螺栓連接結構連接處相互作用產生的。說明振動設備噪音及環境噪音對試驗結果的影響不大［6］。

能量是信號檢波包絡線下的面積，反映聲發射儀器一次采集到的所有聲發射事件的瞬態相對能量或強度之和;累計能量是信號采集歷程中對瞬態能量的累加，反映的是某時刻前采集歷程中過門檻的所有聲發射事件的總能量。

從圖2中可以看出累計能量數值隨時間的增長而增大，但任意時刻不同預緊扭矩下累計能量的相對數值關系基本保持穩定。為了尋求各預緊扭矩與累計能量的對應關系，在此取20 s時聲發射累計能量數值進行分析。由于1#、2#傳感器采集到的信號基本相同，為表達簡潔，以下主要以螺栓近端1#傳感器的聲發射信號進行分析。

圖2 累計能量隨采集時間變化關系Fig.2 Relationship between Accumulated Energy and Time

圖3給出了聲發射不同扭矩下累計能量的變化關系。可以看出預緊扭矩較小時(1 Nm～7 Nm)累計能量處于相對較高水平，并且隨扭矩的增大而減小，額定扭矩附近(9 Nm)累計能量的數值最小;當預緊扭矩過大(11 Nm、13 Nm)，聲發射信號的能量依然很小。此試驗結果與通過表面微觀分析儀證明了磨損程度與螺栓連接狀態間存在著的對應關系相吻合［7-8］。通過試驗指出可利用聲發射特征參量表征螺栓的磨損程度，因此可將磨損程度作為橋梁建立螺栓連接狀態與聲發射特征參量間的函數關系，以達到利用聲發射技術辨識螺栓連接狀態的目的。

圖3 累計能量(E)(20s)隨預緊扭矩(T)的變化關系Fig.3 Relationship between Accumulated Energy(20s)and Torque

2 板條螺栓連接結構狀態的聲發射REE指標

2.1 當量能量EE

一系列的試驗結果得知，由于累計能量是一個隨時間變化的參量，將其作為螺栓連接狀態的特征參量不夠理想，因此，本文提出一個新的聲發射特征參量——當量能量。

當量能量EE(Equivalent Energy):將不同預緊扭矩下某時刻聲發射信號累計能量與累計振鈴計數相比得到當量能量。

由前述知累計能量反映的是某時刻前采集歷程中過門檻的所有聲發射事件的總能量，因此其數值隨著采集時間的增大而增大，是一個依賴時間的聲發射特征參量。振鈴計數是指越過門檻信號的振蕩次數，能粗略反映信號強度和頻度。累計振鈴計數是指某時刻前采集歷程中過門檻的所有聲發射事件的總次數。因此累計能量與累計振鈴計數的比值可以理解為聲發射過程中產生一個振鈴事件的平均能量，故定義為當量能量。以下是扭矩試驗的當量能量在整個采集過程中的數值變化。

圖4 當量能量(EE)隨采集時間(T)變化關系Fig.4 Relationship between Equivalent Energy(EE)and Time

由圖4可以看出，當量能量數值在初始采集時出現較大波動，當采集穩定后在整個采集過程中其值基本處于穩定狀態。從其物理意義上看，雖然材料的磨損釋放能量是一個瞬態過程，同時每個瞬態材料磨損程度不同，釋放的能量也不同，然而能量采集過程相對于釋放過程，其時間跨度很大，同時，由于螺栓、法蘭的材質及振動環境相對穩定，則在大尺度時間內其任意時刻磨損程度基本穩定故其釋放的能量均值基本是穩定的，因此采集歷程中當量能量的數值相對穩定。因此可截取穩定之后任意時刻的當量能量EE進行分析。為了尋找EE與預緊扭矩的對應關系，在此選取20 s時各種工況下當量能量EE進行分析。

從EE的變化趨勢可以看出，與累計能量相比，各種工況下當量能量EE的變化趨勢更為穩定，再結合物理意義可看出，當量能量是螺栓結構工作歷程中的能量均值，是衡量采集歷程中材料的磨損程度，對于材質及工作環境相對穩定的結構而言，雖然瞬態磨損差異很大，但在采集歷程這個時間大尺度上其磨損程度相對穩定，因此，當量能量的數值基本保持穩定，因此相比于其它傳統的聲發射特征參量而言，采用當量能量作為辨識指標更加合理。

2.2 相對當量能量REE

從上述具體數值上觀察發現，不同激勵環境下的EE值變化相對較大，難以獲得相對統一的辨識數值，因此，應對當量能量進行標準化處理，定義為相對當量能量REE(Relative Equivalent Energy)，定義如下:

即不同預緊扭矩時的當量能量與額定扭矩(該試驗額定扭矩為9 Nm)的當量能量的比值。

經上述分析可以看出，EE與REE都是不依賴時間的穩定參量，因此可任取某時刻的REE進行分析，為了尋找REE與預緊扭矩的對應關系，選取20 s時各種工況下當量能量REE進行分析，并將1#近端傳感器聲發射信號的REE繪制成圖5。

圖5 1#近端傳感器相對當量能量REEFig.5 Relative equivalent energy(REE)of 1#sensor

對螺栓近端1#傳感器聲發射REE參量進行分析，得出同步螺栓松動近端REE變化規律:T＞9時REE＜1;T＜9時 REE＞1。由上述可以看出，REE值是一個不依賴時間但受激勵環境的影響的參量，可根據工程背景選擇合理的激勵環境以建立螺栓預緊扭矩與辨識參量REE的對應關系。

3 REE指標辨識螺栓連接結構的連接狀態

3.1 試驗工況

兩點板條螺栓結構的同步松動試驗表明，可建立螺栓連接狀態與聲發射特征參量REE間的函數關系，然而實際工程應用中，由于材料、結構及螺栓本身的制作差異等，所有螺栓的工作狀態同步改變的情況較為理想，為了更加接近螺栓連接結構實際的工作狀態，本節主要通過螺栓工作狀態非同步(局部)改變的環境中聲發射信號REE指標與連接狀態的關系。

本試驗采用的激勵環境為振動加速度為2 g，振動頻率為20 Hz。試驗方法為給螺栓1分別固定1 Nm、3 Nm、5 Nm、7 Nm 、9 Nm、11 Nm、13 Nm 扭矩的同時分別放松螺栓2的扭矩至1 Nm、3 Nm、5 Nm、7 Nm 、9 Nm、11 Nm、13 Nm;并且進行重復性試驗。

3.2 試驗數據分析

前文已經說明，當量能量是表征螺栓工作歷程中能量的特征參量，表征其磨耗程度，對材質及工作環境相對穩定的結構而言，當量能量值基本處于穩定狀態，因此可任取某時刻的EE進行分析，在此為表達簡潔選取20 s時各種工況下相對當量能量REE進行分析，并將聲發射信號的REE繪制成圖6。

通過對近端1#、2#傳感器的聲發射信號的相對當量能量隨螺栓扭矩的變化關系可以看出:

圖6 局部松動試驗REE相對當量能量與預緊扭矩的變化曲線Fig.6 Relationship between REE and Torque

(1)與當量能量類似，2#傳感器的相對當量能量隨扭矩變化關系是較理想的試驗結果，REE值隨扭矩的增加而降低并漸趨穩定，同時發現只有當兩個螺栓扭矩都較大(T≥5 Nm)，即整個結構處于正常的工作狀態時，相對當量能量數值較小;然而只要有一個螺栓的扭矩較小(T＜5 Nm)，即整個結構處于非正常的工作狀態時，相對當量能量數值較大;

(2)1#傳感器的聲發射信號與2#傳感器變化規律基本一致;并且通過重復性試驗得出試驗結果一致。

(3)鑒于近端傳感器的聲發射信號對螺栓連接狀態辨識效果較好，并通過近端傳感器1#及2#的相對當量能量具體數值進行分析發現，兩個螺栓都處于較緊工作狀態(T≥5 Nm)時，兩個近端傳感器相對當量的數值基本都穩定在1.0附近。

4 結論

AE試驗首先從較簡單的兩個螺栓同步松動預緊扭矩著手，進行聲發射試驗，提出REE可以作為表征螺栓連接狀態的聲發射特征參量，進而通過局部松動兩個螺栓預緊扭矩試驗進行論證，并且通過重復性試驗，最終結果表明:

(1)當量能量是衡量螺栓結構工作歷程中的能量均值，對于材質及工作環境相對穩定的結構而言，在大時間尺度上其磨損程度相對穩定，因此其磨損產生的當量能量相對穩定，是一個不依賴時間的參量;EE總體的變化趨勢相對穩定為隨扭矩T的增大而減小，因此，無論從其物理含義還是變化趨勢上，當量能量是一個較理想的螺栓連接狀態辨識指標;

(2)同步及局部松動試驗數據表明，REE相對當量能量與螺栓的預緊扭矩存在較理想的辨識關系，可分別建立螺栓連接狀態與聲發射特征參量REE函數對應關系;

(3)相對當量能量REE值是一個不依賴時間但受激勵環境影響的參量，況且，不同的識別扭矩范圍其準確率亦不同，可根據工程背景選擇合理的激勵環境，對非松動預緊扭矩要求較高的工程而言，可用稍低的辨識度換取較高的松動辨識扭矩，因此，實際工程中應根據工程背景、結構特征及辨識度要求選擇合理的激勵環境。

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